Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом
 |
Константин Борисович Ефетов Научный руководитель проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС» |
Сверхпроводимость является одним из самых красивых явлений квантовой физики. Она была открыта голландским физиком Каммерлинг-Оннесом (Kamerlingh-Onnes) в 1911 году, который научился охлаждать материалы, используя сжиженный гелий, до температуры 1.5 К (-271.5 С). Изучая электрические свойства охлажденных металлов, Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление твердой ртути, погруженной в жидкий гелий, обращается в нуль, а проводимость становится, таким образом, бесконечной. Это свойство и было названо сверхпроводимостью, а Каммерлинг-Оннес получил в 1913 году Нобелевскую премию.
Позже сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах, но микроскопическая теория этого загадочного явления была построена только в 1957 году американскими физиками Бардином, Купером и Шриффером (Bardeen, Cooper, Schrieffer), которые получили за эту работу Нобелевскую премию в 1972 году.
Стоит упомянуть, что правильная феноменологическая теория сверхпроводимости была предложена советскими физиками Гинзбургом и Ландау уже в 1950 году. Интересные явления в сверхпроводниках были предсказаны с помощью теории Гинзбурга-Ландау Алексеем Абрикосовым, все трое также являются лауреатами Нобелевской премии. Важно отметить, что в течение многих лет Абрикосов был заведующим Кафедрой Теоретической Физики в МИСиС. Сейчас эта кафедра называется “Кафедрой Теоретической Физики и Квантовых Технологий”, где я и работаю в рамках проекта «Toп5-100».
То, что для объяснения сверхпроводимости потребовалось 46 лет, не случайно. Это явление было открыто еще до создания квантовой механики и никак не могло быть объяснено на основе классической механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла. В основе теории сверхпроводимости лежит понятие конденсации Бозе-Эйнштейна.
Согласно этой концепции, частицы с целочисленным квантовым спином (бозоны) должны образовывать состояние, в котором все частицы когерентны (конденсат) или, иными словами, чувствуют друг друга по всему объему системы.
Движение этого конденсата как целого и приводит к тому, что он не тормозится различными примесями или неоднородностями в металле, приводя к нулевому сопротивлению.
Электрический ток в металлах возникает вследствие движения электронов, а это — элементарные частицы со спином одна вторая. Но частицы с полуцелым спином (фермионы) не образуют конденсат, а других движущихся частиц в металлах нет.
Каким же образом можно получить конденсат? Оказывается, два электрона с противоположными спинами могут образовывать пары, которые обладают нулевым полным спином, и эти пары уже являются бозонами и могут образовать Бозе-конденсат.
Такие пары электронов называются куперовскими парами (их-то и придумал один из создателей теории сверхпроводимости Купер), и их конденсация и приводит к явлению сверхпроводимости. Но это еще не все. Нетрудно представить, что для спаривания электронов необходимо их притяжение друг к другу.
Но хорошо известно из классической электродинамики, что две одинаково заряженные частицы отталкиваются, а не притягиваются.
Нашелся выход и из этого противоречия. Оказывается, притяжение между электронами может происходить путем обмена фононами — квантовыми колебаниями решетки атомов металла, и этот факт уже позволил закончить построение теории сверхпроводимости.
Теперь легко понять, почему прошло 46 лет между открытием явления сверхпроводимости и его объяснением. Каждый шаг в построении теории был революционным, и этих шагов было много.
И это все было сделано для объяснения явления, которое можно наблюдать в небольшой лаборатории, для этого не требуются мощные ускорители или полеты в космос.
К сожалению, в этом деле есть одно «но»: как мы уже упомянули, сверхпроводимость возникает при очень низких температурах, такую сверхпроводящую проволоку нужно было бы охлаждать жидким гелием.
В то же время, само по себе охлаждение гелия требует очень больших энергетических (и, соответственно, денежных) затрат, и использование сверхпроводящих проволок оказалось бы значительно дороже стоимости энергетических потерь.
Нетрудно понять, что значительные усилия в дальнейшем исследовании свойств сверхпроводников были потрачены на изучение возможности получения сверхпроводимости при более высоких температурах. В идеале, конечно, хотелось бы получить сверхпроводимость при «комнатной» температуре в 300 К (27 С).
Но и сверхпроводники с температурой перехода выше точки сжижения азота (77 К) были бы очень кстати, так как получение жидкого азота гораздо дешевле, чем производства жидкого гелия.
Однако, многочисленные попытки получить сверхпроводники со столь высокой температурой не приводили к успеху вплоть до середины восьмидесятых годов. Более того, теоретические оценки давали для моделей, основанных на электрон-фононном механизме спаривания электронов, температуры перехода, не превышающие 25 К, что было недостаточно для промышленных применений.
Как гром среди ясного неба, пришло в 1986 году известие, что швейцарские ученые Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах, за что уже в 1987 получили Нобелевскую премию. Материалы, которые они изучали, представляют собой окись меди и имеют слоистую структуру. Обычно для них используется слово «купраты». При комнатных температурах купраты являются плохими металлами с низкой проводимостью. По-видимому, это и является причиной того, что их не рассматривали в качестве серьезных кандидатов для создания высокотемпературных сверхпроводников.
На сегодняшний день температуры сверхпроводящих переходов в купратах достигают
140 К (-137 С)
. Это все еще значительно ниже комнатных температур, но уже значительно выше температуры кипения азота. Последнее обстоятельство уже привело к практическим применениям высокотемпературных сверхпроводников на практике. Уже имеются фирмы, которые производят проволоки, покрытые обычными металлами с «начинкой из купратов».
Тем не менее, вопрос о создании сверхпроводников при комнатных температурах остался до сих пор нерешенным.
Простой перебор различных химических соединений не выглядит многообещающим способом получения сверхпроводимости при комнатных температурах, так как число возможных соединений огромно.
Гораздо более разумно было бы сначала понять, почему температура перехода в купратах настолько превосходит соответствующие температуры в «обычных» металлах.
Чтобы ответить на этот вопрос, огромное число как теоретиков, так и экспериментаторов взялись за изучение механизма образования сверхпроводимости в купратах. На сегодняшний день, большинство ученых считает, что фононный механизм спаривания электронов маловероятен.
Число предложений выдвинутых к настоящему времени велико и все их трудно перечислить. Естественно, все они обещают высокую температуру сверхпроводящего перехода.
Но что нужно делать для того, чтобы выбрать один единственный механизм, который бы однозначно объяснил происхождение сверхпроводимости, и действие которого можно было бы улучшить уже нацелено проверяя и изменяя химические соединения?
Конечно, точное вычисление температуры перехода для каждого из купратных соединений и для всех предложенных механизмов, и дальнейшее сравнение с экспериментальными данными могло бы помочь выбрать «правильный» механизм. К сожалению, этот метод использования «грубой физической силы» практически невозможен, так как на это не хватит никаких мощностей существующих на Земле компьютеров.
Как всегда, лучше подумать, этим занимаются теоретики во всем мире и, в частности, группа в НИТУ «МИСиС», которой я руковожу. Основная идея состоит в том, что разумная модель для сверхпроводимости должна объяснять не только сверхпроводимость, но и ряд других явлений в купратах. Таких явлений в купратах очень много.
Например, несколько лет назад было обнаружено существование модуляции электронного заряда. Значит, правильная теория должна объяснять и это явление, что значительно сужает число кандидатов на роль механизма спаривания электронов.
Работая над проблемой высокотемпературной сверхпроводимости, мы стартуем с модели электронов, взаимодействующих посредством обмена флуктуациями намагниченности. Такое предположение можно обосновывать тем, что купраты при допировании атомами кислорода претерпевают переход антиферромагнетик-нормальный металл.
Сверхпроводимость может появляться только в металлическом состоянии, но близость к антиферромагнетику делает предположение об обмене антиферромагнитными флуктуациями вполне вероятным.
Разнообразие состояний купратов — Предсказываемые состояние купратов в зависимости от Т-температуры и а-концетрации дополнительных носителей (допирование). AF- антиферромагнетик, SC- сверхпроводник, PG – псевдощелевое состояние, по многим косвенным признакам похожее на сверхпроводящее, однако с ненулевым сопротивлением. Из работы K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)
Нам уже удалось объяснить с помощью этого предположения несколько важных явлений в купратах, но приходится все время следить за новыми экспериментальными данными, которые позволяют корректировать или уточнять получаемые теоретические результаты.
Нам кажется, что мы на верном пути, а наша работа поможет разобраться с явлениями, наблюдаемыми в купратах. После этого уже можно будет думать и о том, в каком направлении работать, чтобы увеличить температуру перехода.
Благодаря тесному сотрудничеству с исследователями из разных стран эта задача не выглядит неразрешимой.
Возврат к списку
Побит рекорд температуры для сверхпроводимости
Международная группа физиков, среди которых были и российские исследователи, доказала, что уже при рекордно большой температуре в –23 °C в гидриде лантана наблюдается сверхпроводимость.
Хотя этот конкретный материал использовать в качестве сверхпроводника и нерационально, он указывает на путь, который может привести к обнаружению действительно эффективных и практичных сверхпроводящих материалов.
Сверхпроводимость, то есть отсутствие у проводника сопротивления при температуре ниже определенной точки, была открыта в начале прошлого века. Долгое время считалось, что ученые довольно хорошо поняли это явление.
Была создана теория Бардина — Купера — Шриффера (кратко ее называют теорией БКШ), согласно которой электроны в состоянии сверхпроводимости двигаются парами, с противоположными спинами (то есть, упрощенно, с противоположными направлениями вращения вокруг своей оси).
Такие пары не испытывают сопротивления при движении через кристаллическую решетку материала.
Однако у этой теории есть проблема: она предсказывает, что такие пары электронов (ученые назвали их куперовскими) могут существовать только при весьма низких температурах, не выше –243 °C. Иначе поведение электронов в парах перестает быть скореллированным, и они распадаются.
Самые ценные для практики сверхпроводники — те, в которых температура перехода в сверхпроводящее состояние как можно выше.
Начиная с 1980-х такие материалы открывают систематически, но объяснить их свойства теоретически ученые не смогли. Поэтому трудно выбрать и наиболее перспективные направления поиска таких материалов.
Поэтому ученые не вполне понимают, какие именно свойства нужны высокотемпературным сверхпроводникам, и иногда ищут их почти вслепую.
Сверхпроводники: теория, практика и дальше. К юбилею физика Алексея Абрикосова
Новая работа затрагивает прошлогодний эксперимент с гидридом лантана (LaH10). Согласно одной из не вполне подтвержденных гипотез, ранее этот материал считался возможным высокотемпературным проводником. Это весьма экзотическое соединение с клатратной структурой.
Это означает, что атомы водорода образуют в гидриде лантана «решетку», в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. При этом в центре решетки из десяти атомов водорода лежит один атом лантана, который удерживает уже ионная, а не ковалентная связь.
Структура гидрида лантана LaH10. Kruglov et al. / arXiv / https://arxiv.org/pdf/1810.01113
К сожалению, такие клатраты получить очень сложно — для этого нужна температура выше 700 °C, атмосфера из чистого водорода и давление в пару миллионов атмосфер.
То есть получить их можно только в алмазной наковальне, отчего размер полученного образца будет микроскопическим. К тому же проверить его проводимость в таких условиях очень сложно — сверхвысокое давление разрушит любые электроды.
Даже синтез соединения очень сложен, и оно впервые было получено только в 2017 году.
В своей новой работе, опубликованной в Nature, исследователи решили косвенно подтвердить, достигается ли сверхпроводимость в образцах гидрида лантана. Для этого они воздействовали магнитным полем на образец гидрида лантана размером в 20 микрометров. При этом ученые следили, как по мере изменения температуры образца меняются параметры поля.
Оказалось, что они действительно меняются, а при температуре от –23 °C и ниже магнитное поле будет полностью вытесняться из материала — так, как и должно быть в случае сверхпроводника.
Это показывает, что гидрид лантана действительно сверхпроводник, причем рекордно высокотемпературный.
На данный момент нет ни одной научной работы, опубликованной в рецензируемом журнале, которая показывала бы более высокую температуру перехода любого материала в сверхпроводящее состояние.
Конечно, практическое использование такого сверхпроводника вне стен лабораторий сомнительно. Давление в 1,7 миллиона атмосфер, при котором гидрид лантана показывает сверхпроводимость, поддерживать слишком дорого.
Однако изучение этого экзотического соединения даст возможность лучше понять, как именно возникает высокотемпературная сверхпроводимость, а значит, и решить вопрос о том, в каком материале она будет поддерживаться при нормальном давлении и максимально возможной температуре.
Рекорд высокотемпературной сверхпроводимости побит сразу дважды
Гидриды лантана демонстрируют сверхпроводимость при рекордно высоких температурах.
Электрическое сопротивление у сверхпроводящих материалов — нулевое, что позволяет им проводить ток без обычных для этого потерь.
Однако добиться этого удается пока лишь при сверхнизких температурах, из-за чего применение сверхпроводников ограничивается теми областями техники, где можно создать для них подходящие криогенные условия: например, в электромагнитах маглевов или коллайдеров частиц.
Но ученые продолжают поиски новых материалов, проявляющих эти свойства при температурах, все более приближающихся к обычным.
Первые обнаруженные сверхпроводники требовали охлаждения всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля (-273 °С), а в 2015 году удалось показать, что сероводород при высоких давлениях демонстрирует сверхпроводимость «всего лишь» при -70 °С. Недавно этот рекорд превзошли, причем сразу дважды.
В первой статье, представленной в библиотеке препринтов arXiv.org, Рассел Хемли (Russell Hemley) и его коллеги сообщают о сверхпроводимости при впечатляющей температуре лишь -13 °С (260 К).
Эффект наблюдался в супергидриде лантана, под давлением в 190 ГПа — почти два миллиона атмосфер, — которое создавалось сжатием его между парой алмазных кристаллов.
По словам ученых, в некоторых образцах сверхпроводимость сохранялась даже при «плюсовой» температуре, вплоть до 280 К.
Таким же способом высокое (до 170 ГПа) давление создавалось и в гидридах лантана, с которыми экспериментировала команда наших бывших соотечественников, работающих в немецком Институте химии Общества Макса Планка, в группе Михаила Еремеца. В статье, опубликованной на arXiv.org, ученые сообщают, что сопротивление материала резко падало при температуре 215 К (-58° C).
Лантан и водород сжимались на алмазной «наковальне» / ©Drozdov et al., 2018
Можно отметить, что вещества, которые использовали обе команды ученых, схожи: возможно, в обоих случаях речь идет об одном и том же соединении лантана и водорода.
Однако пока что утверждать этого точно нельзя: из двух групп лишь Расселу Хемли с коллегами удалось провести рентгенографическое исследование структуры гидрида.
По-видимому, он при этом образует кристаллы с молекулами LaH10, сверхпроводящие свойства которых были предсказаны авторами ранее.
Добавим, что эти работы еще не претендуют на окончательную точность: торопясь доложить о новых впечатляющих рекордах, авторы представили статьи без должного рассмотрения экспертами, как это делается в академических изданиях. И группе Еремеца, и Хемли с его командой еще предстоит провести по-настоящему тщательные эксперименты, оформить и объяснить их результаты — и только тогда рекорд сверхпроводимости будет обновлен официально.
Высокотемпературный скандал: действительно ли открыта комнатная сверхпроводимость
В конце июля 2018 года двое индийских ученых заявили о получении сверхпроводимости при комнатной температуре. Это открытие уровня Нобелевской премии, оно решает столетнюю проблему и способно потрясти основы энергетики, но пока вызвало только шквал эмоций ученых в соцсетях. Forbes разобрался, почему ученые не торопятся признать потенциально самое великое исследование столетия.
Дев Кумар Тапа и Аншу Пандей из Индийского института наук в Бангалоре (IISc) 23 июля опубликовали в архиве научных работ arXiv статью, в которой утверждали, что материал из золота и серебра перешел в сверхпроводящее состояние при –37°С и нормальном давлении.
Столь громким заявлением сразу заинтересовались ученые и наперегонки начали пытаться повторить результат. Вскоре, однако, обнаружилось, что в препринте не хватает деталей — как именно сделать серебряно-золотой сверхпроводящий сплав.
Тапа и Пандей отказались делиться своим образцом и комментировать детали его состава. Новостной команде Nature они объяснили, что не могут вдаваться в детали, пока их статья не пройдет редактирование в журнале.
Пандей заявил, что их результаты подтвердили независимые эксперты и их заключения будут опубликованы так скоро, как только это возможно.
В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые обнаружил, что при понижении температуры ртути до –270°С ее сопротивление резко падает в 10 000 раз. Открытие сверхпроводимости имело фундаментальное значение в физике конденсированных сред, и при этом могло оказать революционное влияние на экономику.
Например, потери на нагрев проводов в линиях электропередач приводит к потере 5–15% энергии при ее передаче от производителей к потребителям. Нагрев зависит от электрического сопротивления материалов: если его уменьшить в тысячи раз, то и потерь можно будет избежать.
Однако достижение столь низкой температуры требовало столь дорогой инфраструктуры, что ученые принялись искать материалы, требующие менее глубокого охлаждения.
За последние 100 лет ученым удалось найти вещества, которые теряют сопротивление при более высоких температурах. Фундаментальный прорыв произошел в 1986 году, когда сотрудники IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц обнаружили материал, становящийся сверхпроводником при температуре на целых 35 градусов выше абсолютного нуля.
Авторы открытия получили Нобелевскую премию, а теоретики засели за разработку теории принципиально нового явления — высокотемпературной сверхпроводимости. Эта работа до сих пор не закончена, а потому высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) у новых материалов обнаруживается по-прежнему едва ли не наугад.
Ученые отмечают, что известные физические законы не ограничивают максимальную температуру для сверхпроводников, поэтому они продолжают свои поиски.
Сейчас существуют материалы, достигающие ВТСП при температуре жидкого азота (–196°С). Жидкий азот обходится существенно дешевле жидкого гелия, применявшегося Камерлинг-Оннесом, однако его применение все равно требует особого оборудования.
ВТСП уже позволила в специальных случаях применять сверхпроводимые вещества для передачи энергии, удешевила сверхчувствительные сенсоры, позволила создать поезда-«маглевы», разгоняющиеся до 400-600 км/ч благодаря тому, что они не касаются рельс (сверхпроводящие материалы выталкиваются магнитным полем).
Но повсеместное применение сверхпроводников будет возможно, если для их получения не придется создавать специальную инфраструктуру.
«Не так давно была обнаружена сверхпроводимость при 203 К (-70°С), что очень много. Она возникает под огромным давлением, что не позволит ее применить в практических решениях.
Однако все это показывает, что получить сверхпроводимость при высоких температурах возможно, и надо лишь искать», — объяснил Forbes профессор Алексей Цвелик из Брукхейвенской национальной лаборатории.
Он добавил, что самыми интересными считает сверхпроводники на основе окиси меди, потому что они показывают много других интересных эффектов помимо сверхпроводимости, которые еще только ждут теоретического описания.
Не имея возможности узнать состав нового вещества, ученое сообщество обратило пристальное внимание на некоторые детали работы. Физик-теоретик Брайан Скиннер из знаменитого Массачусетского института технологий (MIT) изучил препринт индийских ученых, и у него появились вопросы к графику перехода сплава в сверхпроводящее состояние.
Скиннер не является специалистом по сверхпроводимости, но он посвятил отдельный препринт особенностям графика в работе индийцев. Шум практически отсутствует в области высоких температур и становится заметным после перехода в сверхпроводящее состояние.
Это нетипично: в зависимости от настроек приборов и обработки данных график может быть гладким или зашумленным, но не одновременно. Кроме того, шумы обычно пропорциональны значению физической величины, а магнитная восприимчивость как раз снижается при переходе в сверхпроводящее состояние.
В графике индийцев все наоборот — шумы возникают при переходе в сверхпроводимость.
Еще большее удивление у Скиннера вызвало то обстоятельство, что у нескольких графиков (для разных значений магнитного поля) шумы коррелируют — они практически повторяют друг друга. Дело в том, что шумы по своей природе случайны, даже для измерений в одних условиях они не повторяются.
Скиннер посоветовался со специалистами по сверхпроводимости, и они подтвердили его подозрения. После этого он предложил другим ученым присоединиться к обсуждению.
Физик Пратап Рейчаудхури изучает физику низких температур в Институте фундаментальных исследований Тата в индийском городе Мумбаи. Он внимательно следил за реакцией ученых на заявление об открытии.
В ответ на статью Скиннера он заметил, что странных графиков недостаточно, чтобы обвинить индийских ученых в фальсификации, и дал несколько версий, объясняющих странности. Однако, чтобы выбрать одну из них, нужны исходные экспериментальные данные.
А их-то Тапа и Пандей обнародовать не спешат.
Научная группа экспериментатора Мингды Ли с факультета ядерной физики MIT также пыталась повторить результаты индийских ученых.
Однако Ли сообщил Nature, что после работы Скиннера они собрались всем коллективом и решили, что шумы разных экспериментов не должны быть идентичными, поэтому прекратили попытки повторить работу с серебряно-золотым сплавом.
Пушан Аюб, физик из Института Тата, отметил, что его лаборатория продолжает попытки повторить работу по высокотемпературной сверхпроводимости, но работает над этим уже не так рьяно.
Пост Рейчаудхури имел неожиданное последствие. Физик получил письмо от именитого индийского коллеги, который убеждал его прекратить критику работы Тапа и Пандея. Однако вскоре Рейчаудхури выяснил, что письмо было прислано анонимом, который зарегистрировал аккаунт с именем известного ученого.
Рейчаудхури отмечает, что в этой истории научное сообщество проявило себя с самой лучшей стороны: все отвлеклись от своих направлений и вступили в дискуссию на единой платформе. Он отмечает, что в любом случае эта история подстегнет интерес публики к сверхпроводимости.
«Если все это воспроизведут, то, конечно, это будет замечательное открытие. Для нас –40°С — это комнатная температура.
То есть сверхпроводимость можно делать в холодильнике, а даже не при жидком азоте», — подытоживает ценность этой истории профессор Алексей Цвелик.
Однако он предостерегает против того, чтобы уделять этой скандальной истории слишком много внимания: «Среди моих коллег-экспериментаторов никто про это не говорит. Думаю, не стоит об этом беспокоиться, пока открытие не подтвердили другие исследователи».
Высокотемпературная сверхпроводимость (втсп)
Первые сверхпроводники сохраняли свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986г. сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р.1950) и Александр Мюллер (Alexander M?ller, р.
1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже –100C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно.
Рассмотренный в рамках теории БКШ механизм перехода в сверхпроводящее состояние основан на межэлектронном взаимодействии через тепловые колебания кристаллической решетки. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемого фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40К.
Для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с > 90К) необходимо было искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна сверхпроводимость при комнатных температурах.
Основная идея заключалась в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки.
Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура – более высокой, чем при фоновом механизме.
В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), разработанной академиком В.Л. Гинзбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны – экситоны.
Подобно фононам, описывающим тепловые колебания решетки, экситоны являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу, не связанными с переносом электрического заряда и массы.
Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника.
Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры ().
Сама идея ВТСП в органических соединениях была выдвинута еще в 1950г. Лондоном и лишь через 14 лет Литтл и Гинзбург, независимо друг от друга, теоретически доказали возможность ВТСП в неметаллических системах. Работой Беднорца и Мюллера начался следующий этап развития ВТСП. Число публикаций по проблеме ВТСП, появившихся после 1986г., существенно превышает полное число вообще всех предшествующих публикаций по сверхпроводимости, начиная с 1911г. Более того, после открытия сверхпроводимости в купратных соединениях с иттрием (YBCO) с ~ 90К и ртутью с ~ 135–160К проблема ВТСП из чисто научной превратилась в практически значимую, благодаря возможности крайне важных технических приложений. Это обстоятельство и стало, в основном, причиной мощного потока финансов и новых исследователей в эту область.
Основными достижениями первого этапа можно считать следующие результаты:
- четкое и ясное осознание того, что помимо хорошо известного электрон-фононного механизма сверхпроводимости, обусловленного межэлектронным притяжением за счет обмена фононами, могут существовать и другие механизмы, связанные с межэлектронным кулоновским взаимодействием;
- доказательство отсутствия каких-либо строгих, на уровне закона природы, ограничений на возможное значение критической температуры сверхпроводящего перехода. Противоположное утверждение было выдвинуто очень авторитетными специалистами в теории сверхпроводимости Андерсоном и Коэном и, безусловно, оказало отрицательное влияние на развитие исследований по проблеме ВТСП;доказательства того, что высокие значения могут быть получены только в системах с сильными эффектами локального поля, т.е. в системах с сильным взаимодействием;
- выполненный подробный анализ различных факторов, определяющих при фононном механизме сверхпроводимости
Новый этап развития проблемы ВТСП, помимо самого факта экспериментального обнаружения соответствующих систем и уже упоминавшейся масштабности исследований, имел ряд других отличий, в том числе и в теоретических подходах. Как уже отмечалось, довольно давно стало ясно, что высокие значения могут иметь только системы с сильным взаимодействием. На первом этапе достаточного внимания изучению таких ВТСП-систем не уделялось. Основная же часть исследований второго этапа связана именно с изучением эффектов сильного обменно-корреляционного взаимодействия и их проявлений как в нормальном, так и сверхпроводящем состоянии.
Большая часть теоретических работ связана с моделью Хаббарда, в которой основную роль играет сильное кулоновское отталкивание электронов на одном центре.
Именно в рамках модели Хаббарда были предложены две наиболее радикальные идеи о природе ВТСП в купратах, основанные на модели так называемых резонансных валентных связей.
Фактически, эти идеи в значительной мере опираются на результаты, полученные для одномерных моделей взаимодействующих электронов. В них низкотемпературное поведение электронов резко отличается от стандартного поведения в трехмерных системах.
Электрон, обладающий зарядом и спином, перестает быть хорошо определенным возбуждением. Происходит так называемое разделение заряда и спина. В такой модели спин переносится незаряженными возбуждениями, а заряд – безспиновыми возбуждениями. Подобную систему называют латтинжеровской жидкостью.
Основная идея о сущности ВТСП-систем, развиваемая Андерсоном, заключается в том, что электронная система в таких соединениях представляет собой именно латтинжеровскую жидкость как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии.
Отличие идеи, предложенной Лафлином с соавторами, от подхода Андерсона заключается в использовании дробной статистики для описания низкоэнергетических возбуждений в ВТСП-системах. Это означает, что соответствующие возбуждения не являются ни бозонами (как, например, фононы), ни фермионами (как сами электроны).
В квантовой теории поля для них используется термин «анионы». Существенно при этом, что анионная теория приводит к нарушению симметрии относительно обращения времени, поскольку в системе фактически возникают спонтанные магнитные потоки. К сожалению, экспериментальные данные опровергают такую возможность.
Теория ВТСП-систем Андерсона также не вызывает энтузиазма у большей части исследователей.
Значительная часть теоретических исследований ВТСП-соединений на втором этапе, как, впрочем, и на первом, сводится к довольно стандартной процедуре.
Рассматривается система квазичастичных электронных возбуждений, только вместо фононов и экситонов, приводящих к межэлектронному притяжению и спариванию, вводится нечто иное.
Это могут быть спиновые флуктуации, образование «спиновых мешков», специфика зонной структуры и т.п.
Единственное отличие второго этапа – это более детальное исследование моделей, основанных на существовании сильного межэлектронного отталкивания.
Исследователям удалось довольно глубоко продвинуться в этой проблеме, однако, все еще не решены проблемы, связанные с поведением ВТСП-систем как в нормальном, так и в сверхпроводящем состояниях.
Остается много вопросов, на которые в данный момент нет четких и ясных ответов, включая и вопрос о конкретном механизме совместного влияния электрон-фононного взаимодействия и кулоновского отталкивания на межэлектронное спаривание. И так далее… Но все это не мешает нам практически применять явление сверхпроводимости.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20ти лет назад, но по сей день остаются загадкой.
Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20ти лет назад, но по сей день остаются загадкой.
- Это тема, где еще можно сделать много научных открытий, которые можно будет внедрить во многих отраслях промышленности, например, в электросетевом хозяйстве.
- Примечательно, что сверхпроводимость была обнаружена у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства.
- Казалось бы, традиционные интерметаллиды, органические или полимерные структуры подходили больше.
- Новый взгляд позволил в течение короткого времени создать новые поколения металлоксидных сверпроводников в США, Японии, Китае и России.
Керамические материалы на основе оксида меди проводят электрический ток без потерь при намного более высокой температуре, чем обычные сверхпроводники, которая, впрочем, гораздо ниже комнатной.
Известно, что в обоих случаях сверхпроводимость обеспечивается спариванием электронов и формированием из всей их совокупности единого коллективного квантового состояния.
Однако ученые до сих пор не знают, какие силы удерживают электроны в парах в высокотемпературных сверхпроводниках.
Было выдвинуто несколько предположений, но ни одно из них не было доказано. Результаты недавних экспериментов позволяют исключить из рассмотрения 2 серьезные гипотезы.
В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы — кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла.
Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера.
Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.
- Такая модель обычной сверхпроводимости называется теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) — в честь ученых, разработавших ее в 1957 г.
- Когда в 1986 г были открыты высокотемпературные сверхпроводники, их еще называют сверхпроводниками на основе купратов, выяснилось, что теория БКШ в существующем виде не способна объяснить некоторые их особенности.
Прежде всего при более высоких температурах энергия тепловых колебаний решетки намного превышает энергию взаимного притяжения электронов, обусловленную фононами.
(Правда, недавно этот предел критической температуры был поставлен под сомнение.)
Кроме того, замена изотопов в БКШ-сверхпроводнике влияет на характеристики фононов (более тяжелые атомы колеблются с меньшей частотой) и приводит к изменению критической температуры на вполне определенную величину, которая у высокотемпературных сверхпроводников оказывается иной.
Не могут быть объяснены в рамках теории БКШ и многие общие свойства между различными составами купратов в нормальном и сверхпроводящем состоянии.
Пытаясь разобраться в природе сил, вызывающих спаривание, физики занялись изучением излома на графике энергии спаренных электронов.
Многие ученые связывают его с магнитным резонансом — одним из типов коллективного состояния электронов.
- Вместе с тем одна экспериментальная группа попыталась опровергнуть сложившиеся представления о необычных сверхпроводниках и представила свидетельства того, что причина излома кроется в фононах.
- Результаты, полученные в Университете Макмастера и в Брукхейвенской национальной лаборатории, похоже, исключают магнитный резонанс и фононы из числа претендентов на звание причины спаривания электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.
- Для определения энергии спаренных электронов измеряли зависимость интенсивности инфракрасного излучения, рассеянного на сверхпроводнике, от длины волны.
Группа во главе с Томасом Таймаском (Thomas Timusk) выявила на фоне рассеяния в широком диапазоне частот острый пик, который явно связан с изломом, обнаруженным в других экспериментах.
Однако он отсутствует в результатах аналогичных опытов со сверхлегированными материалами, которые содержат больше атомов кислорода и поэтому переходят в сверхпроводящее состояние при более низких температурах.
- Таким образом, фононы, присутствующие во всех материалах, включая сверхлегированные, не могут быть причиной пика и излома графиков.
- Широкодиапазонный фон рассеяния тоже не связан с фононами: в противном случае он должен был бы обрываться на высоких частотах.
Условия, при которых наблюдается острый пик рассеяния, хорошо согласуются с гипотезой о магнитном резонансе, но он отсутствует в сверхлегированных материалах, остающихся тем не менее сверхпроводящими.
Значит, сверхпроводимость не связана с магнитным резонансом.
Остается широкодиапазонный фон, который, по мнению Таймаска, должен возникать при любом процессе, вызывающем спаривание электронов.
Однако материаловеды из Аргонской национальной лаборатории полагают, что, хотя магнитный резонанс не принимает участия в образовании электронных пар, есть серьезные основания считать природу связующих сил магнитной.
Итак, поиск продолжается.
Интерес к теме высокотемпературной сверхпроводимости настолько высок, что за открытие первого соединения из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4 швейцарскому физику К.Мюллеру и немецкому физику Г.Беднорцу в 1987 г была присуждена Нобелевская премия.
Наши ученые не отстают.
В 1993 г Е. Антипов, С. Путилин и другие российские ученые из МГУ открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa2Can-1CunO2n+2+ d (n=1-6).
Эти соединения являются материалами с рекордно высокими значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc, поэтому актуальной является проблема определения в решетках HgBaCaCuO зарядовых состояний атомов кислорода, которые и ответственны за явление высокотемпературной сверхпроводимости в этих керамиках, но не только.
Фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg -1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135 К), причем при внешнем давлении 350 тыс атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.
Таким образом, сверхпроводники достаточно быстро эволюционировали, пройдя путь от металлической ртути (4.2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).